生物物理學(xué)大實驗課程改革與實踐

劉亞豐，吳 穎，李奇志，吳政星，馬 聰

（華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，分子生物物理教育部重點實驗室，武漢 430074）

0 引言

生物物理學(xué)是用物理學(xué)的概念和方法研究生物的結(jié)構(gòu)與功能、研究生命活動的物理和物理化學(xué)過程與規(guī)律的一門交叉學(xué)科［1］。我國在1958 年就成立專門的科研機構(gòu)-中國科學(xué)院生物物理研究所，貝時璋先生任第一任所長。2009 年，設(shè)立“貝時璋獎”，這是生物物理領(lǐng)域的最高榮譽［2］。我校較早地將生物物理學(xué)作為重點發(fā)展的學(xué)科方向，2007 年獲批國家重點學(xué)科，2008 年分子生物物理教育部重點實驗室獲批建設(shè)，2012 年通過教育部驗收，具有較強的生物物理科研平臺和學(xué)科隊伍。

為培養(yǎng)生物科學(xué)專業(yè)學(xué)生掌握生物物理學(xué)的知識和實驗技能，開設(shè)了生物物理學(xué)和生物物理學(xué)大實驗課程，學(xué)時分別為48、32，學(xué)分分別為3、1，并建立專業(yè)教學(xué)實驗室-生物物理實驗室。實驗教學(xué)是理論聯(lián)系實際的重要橋梁、是培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力的重要途徑。由于比較重視實驗教學(xué)，以學(xué)生為中心，采取了多項有效舉措，所以教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量得到了不斷提升。

1 推進科研成果轉(zhuǎn)化，構(gòu)建綜合創(chuàng)新性實驗項目

學(xué)科交叉是生物物理學(xué)的基本特征，始終緊抓這個特征并結(jié)合學(xué)科最新發(fā)展，積極推動科研成果轉(zhuǎn)化，構(gòu)建新的實驗項目，并補充到生物物理學(xué)大實驗培養(yǎng)大綱中。如新開設(shè)光敏感通道蛋白表達與測量實驗項目，使學(xué)生接觸最新的光遺傳學(xué)技術(shù)（Optogenetics）［3-4］，讓學(xué)生掌握如何在HEK293 細胞上表達光敏感通道蛋白如ChR2 等，如何利用細胞膜片鉗系統(tǒng)記錄光刺激條件下的膜電流。該項目涉及細胞培養(yǎng)、質(zhì)粒轉(zhuǎn)染、熒光標記、顯微觀察、電生理、激光掃描等內(nèi)容。項目交叉性和綜合性強，能夠充分鍛煉學(xué)生的實踐能力和探索能力，啟迪學(xué)生的創(chuàng)新思維。

電生理技術(shù)以測量生物電為對象，是生物物理學(xué)中廣泛應(yīng)用的技術(shù)，我校在1989 年就研發(fā)出國內(nèi)第一臺膜片鉗系統(tǒng)［5］。從2011 年為本科生開設(shè)了細胞膜片鉗電活動記錄實驗。膜片鉗電活動記錄需要熟練使用多種儀器和技術(shù)，難度大、入門門檻高，但該實驗不僅有利于學(xué)生理解電生理測量基本原理，而且可使學(xué)生獲得初步的膜片鉗電生理記錄的方法與技能。實驗教學(xué)采取先易后難、循序漸進的原則與方法，首先開展斑馬魚視網(wǎng)膜電圖測量實驗，用尖端直徑10～30 μm的玻璃電極做斑馬魚眼角膜封接，記錄視網(wǎng)膜電位。在此基礎(chǔ)上，再練習(xí)尖端直徑1 μm 玻璃電極與動物細胞的封接與細胞膜電位記錄。此方法不僅利于學(xué)生克服對復(fù)雜實驗的恐懼，更重要的是加快了教學(xué)的進度，在有限的時間內(nèi)完成教學(xué)內(nèi)容，充分訓(xùn)練學(xué)生實踐動手能力，掌握胞內(nèi)、胞外電生理技術(shù)。

2 注重教學(xué)與前沿研究相結(jié)合，自制教學(xué)設(shè)備

儀器設(shè)備是推進實驗項目實施的重要基礎(chǔ)和保障，其先進性也決定著實驗內(nèi)容的先進性。為使學(xué)生接觸最新技術(shù)、先進方法，研發(fā)教學(xué)設(shè)備是多年來一直堅持的一項重要工作，并構(gòu)建與之相適應(yīng)的實驗教學(xué)體系，凸顯專業(yè)特色，這里列舉兩個例子說明最近開展的工作。

視網(wǎng)膜電圖（electroretinogram，ERG）具有非創(chuàng)傷性、定量性和可重復(fù)性，已成為醫(yī)院眼科重要檢查項目之一和科學(xué)研究的重要指標［6-7］。目前商用ERG系統(tǒng)由于接觸電極過大、無法固定小動物，無法開展斑馬魚視覺功能的研究。為此，采用玻璃電極、LED 刺激光源、電生理放大器以及特制樣品池，搭建了適于幼小斑馬魚視網(wǎng)膜電圖測量的系統(tǒng)，如圖1 所示，目前國內(nèi)尚未見有這樣的系統(tǒng)，可用于斑馬魚視覺系統(tǒng)發(fā)育、遺傳學(xué)研究等。利用該自制設(shè)備為本科生開設(shè)了斑馬魚視網(wǎng)膜電圖測量實驗項目，同時還向研究生開放，博士生利用該設(shè)備已在Human Molecular Genetics 等期刊發(fā)表SCI論文4 篇。

圖1 視網(wǎng)膜電圖測量系統(tǒng)

光遺傳學(xué)（Optogenetics）已發(fā)展成為21 世紀神經(jīng)科學(xué)研究的一項重要技術(shù)，它通過將光敏感通道蛋白表達到細胞中，利用光學(xué)手段實現(xiàn)細胞活性的雙向、精準調(diào)控。較早開展這方面研究，采用高速無慣性掃描器件-聲光偏轉(zhuǎn)器在顯微鏡系統(tǒng)上搭建了隨機掃描光刺激系統(tǒng)［8-9］，如圖2 所示，主要包括激光光纖耦合模塊、激光掃描模塊、電路控制模塊及軟件控制模塊。學(xué)生利用該系統(tǒng)可以控制激光在二維空間任意移動、激活不同位置的細胞，同時利用細胞膜片鉗系統(tǒng)記錄這些細胞的電活動，掌握光遺傳學(xué)這一最新神經(jīng)科學(xué)研究技術(shù)。同時，推動該設(shè)備開展科研應(yīng)用，已與中科院上海神經(jīng)科學(xué)研究所、浙江大學(xué)、北京師范大學(xué)等單位合作，在Nature Neuroscience、Neuron 等雜志上發(fā)表多篇SCI論文［10-12］。

圖2 隨機掃描光刺激系統(tǒng)

研發(fā)先進的教學(xué)儀器設(shè)備，解決了課程建設(shè)與發(fā)展存在的問題，使學(xué)生可接觸學(xué)科最新發(fā)展和前沿技術(shù)，拓展知識的廣度與深度，拉近課程教學(xué)與科研之間的距離；有助于提高教師理論知識水平和科技攻關(guān)能力，推動教師積極參與教學(xué)改革；同時還服務(wù)于課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計及科學(xué)研究。

3 建設(shè)數(shù)字化教學(xué)資源，推動實驗室信息化

當前互聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)高度發(fā)達，大量MOOC 已上線，學(xué)生獲取知識非常便捷，教育信息化的格局已形成。為適應(yīng)實驗教學(xué)信息化，使學(xué)生在開放、自主、交互的環(huán)境中開展高效、安全、經(jīng)濟的實驗，在國家級生命科學(xué)與技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心的統(tǒng)一規(guī)劃下，積極謀劃，圍繞課程培養(yǎng)大綱已開發(fā)2 個虛擬仿真實驗項目（見圖3）：斑馬魚視網(wǎng)膜電圖測量虛擬仿真實驗和全細胞膜片鉗虛擬仿真實驗。它們利用Unity3D

圖3 虛擬仿真實驗項目截圖

軟件構(gòu)建虛擬的實驗環(huán)境、儀器設(shè)備和交互場景，使得學(xué)生在電腦終端開展仿真操作，了解儀器設(shè)備構(gòu)造、線路連接、設(shè)備操作、實驗流程、操作細節(jié)及注意事項等。

為推進生物物理實驗室信息化和智能化，在實驗室里安裝了校園卡管理系、3D 投影系統(tǒng)、紅外報警系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，并配備滅火器、防火毯、防毒面具、醫(yī)用箱等。授權(quán)許可的學(xué)生可自如進入實驗室，教師通過電腦終端可實時了解實驗室運行情況，這些為實驗室開放運行提供了堅實的保障。

4 堅持實驗室全面開放，推進虛實融合教學(xué)模式應(yīng)用

本課程所開設(shè)的實驗項目大都很復(fù)雜，學(xué)生難以在有限的教學(xué)學(xué)時內(nèi)掌握相關(guān)技術(shù)；另外受實驗室面積的限制，每個實驗項目僅配置一臺設(shè)備，不能安排全班學(xué)生在一次課同時進行實驗操作。

為解決上述問題，并保證教學(xué)質(zhì)量，積極推動實驗室全面開放，構(gòu)建一種虛實融合的教學(xué)模式，具體運行流程見圖4，以虛促實、以虛補實，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、主動實踐，積極拓寬學(xué)習(xí)內(nèi)容廣度與深度。

圖4 虛實融合教學(xué)模式流程圖

5 完善過程考核評價體系

為配合虛實融合教學(xué)模式實施、客觀公正評價學(xué)生實驗水平，完善建立了相應(yīng)的過程考核評價體系，主要包含以下幾個內(nèi)容：

（1）課堂紀律，占10%，主要考查出勤、值日、課堂紀律、愛護設(shè)備、衛(wèi)生等方面；

（2）虛擬仿真操作，占10%，主要考查實驗流程仿真操作、人機交互和在線操作熟練程度等；

（3）實驗動手環(huán)節(jié)，占40%，考核每個學(xué)生實踐動手能力、對儀器設(shè)備熟悉程度、操作的規(guī)范性和標準化、對碰到問題的應(yīng)對能力等；

（4）實驗報告，占40%，包括實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗步驟、數(shù)據(jù)記錄與處理、討論與結(jié)論、思考題以及收獲體會等，考查書寫工整規(guī)范、內(nèi)容完整性、圖表處理合理、數(shù)據(jù)真實可靠、分析得當?shù)取?/p>

6 結(jié)語

實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和實踐動手能力的重要環(huán)節(jié)，實驗教學(xué)水平直接影響教學(xué)水平與教學(xué)質(zhì)量［13］，以學(xué)生為中心，扎根生物物理學(xué)大實驗課程改革與實踐，不斷提升學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐動手能力。實驗教學(xué)改革取得一些成效，完成一項省級教改項目并獲得優(yōu)秀、圍繞本課程獲批4 項校實驗技術(shù)項目并順利結(jié)題、圍繞儀器研發(fā)及應(yīng)用發(fā)表科研論文8 篇、圍繞課程改革發(fā)表論文3 篇、研發(fā)儀器獲批2 項國家發(fā)明專利、自制儀器設(shè)備獲得全國、湖北省及學(xué)校教學(xué)設(shè)備成果獎8 項。

“雙一流”和“雙萬”計劃對人才培養(yǎng)提出了新要求、高要求，這就要求要因時而變，順勢而為，繼續(xù)深化教學(xué)改革，為培養(yǎng)生命學(xué)科領(lǐng)域拔尖創(chuàng)新人才創(chuàng)造一流的支撐保障條件和教學(xué)體系。